JPH11503968A - 流体の分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 流体の分離装置は少なくとも二つの巻回モジュール（５）を収容する圧力管（１）から成り、圧力管（１）の中に巻回モジュール（５）が流れ方向に連続して配置され、圧力管（１）が一つの供給口（２）、少なくとも一つの透過物出口（３）および一つの滞留物出口（４）を有している。この装置は、上流の巻回モジュール（５）から出た滞留物をそれが次の巻回モジュール（５）に流入する前に加熱するように、連続して配置された巻回モジュール（５）間の少なくとも一つの範囲を加熱する加熱装置（７）を有している。加熱すべき供給溶液は輸送中に圧力管の内部にとどまり、熱伝達を高めるために乱流を有している。

Description

【発明の詳細な説明】 流体の分離装置 本発明は、少なくとも二つの巻回モジュールを収容する圧力管を有している請 求の範囲第１項の上位概念部分に記載の流体の分離装置に関する。 流体を分離するために選択膜付き巻回モジュールを利用することは既に知られ ている。流体を分離するために流体の種類に応じて、逆浸透膜法、限界濾過膜法 、ガス浸透法あるいは近年においては過（完全）蒸発法(Pervaporation)が採用 されている。その装置に導入される混合流体は供給溶液であり、その巻回モジュ ールの膜を透過して流れる流体を透過物と呼び、残留する流体を滞留物と呼ぶ。 全般的に巻回モジュールの膜を通る物質輸送量は推進力に比例し、即ち膜の両側 における流体の化学ポテンシャルの差に比例する。そのポテンシャル差は、圧力 管の内部に配置されている巻回モジュールに負圧あるいは過圧がかけられること によって得られる。 米国特許第３３６７５０４号明細書において、圧力管とその中に配置された巻 回モジュールとから成り、逆浸透膜法によって海水を脱塩するために利用される この種の装置が記載されている。脱塩すべき水は考え得る前処理を行った後で供 給溶液として圧力管の中に導入され、浄化され精選された水として透過物の形で 排出される。ここで利用されている巻回モジュールは、プラスチック製あるいは 金属製の網状スペーサ（供給スペーサ）と共に透過物集合管の周りにスパイラル 状に巻かれている一つあるいは複数の膜トラップ（ポケット）から成っている。 その各膜トラップは二枚の膜から成り、それらの両膜間に多孔質のプラスチック 織物あるいは金属織物が置かれている（透過物スペーサ）。膜トラップは三方の 面が閉じられている。膜トラップは残りの開いた第４の面が孔開き透過物集合管 に接続されている。供給溶液は巻回モジュールの端面で流入し、巻回モジュール を軸方向に流れる。その場合分離すべき成分例えば水は膜を透過し、多孔質の支 持層の内部を透過物として半径方向にスパイラル状に透過物集合管に向かって流 れる。個々の巻回モジュールの収量は非常に僅かであるので、所望の収量を得る ために一般に、圧力管の内部に複数の巻回モジュールが流れ方向に連続して配置 されている。その場合上流の巻回モジュールの滞留物はそれぞれ次の巻回モジュ ールに対する供給溶液となる。 米国特許第Ａ３４１７８７０号明細書において、海水を脱塩するために利用さ れる他の巻回モジュール付き装置が開示されている。ここでは巻回モジュールは 、互いに半径方向に配置され一緒に透過物集合管の周りに巻かれている複数の膜 トラップから成っている。この特殊な配置構造は効率を高めている。だがここで も、所望の収量を得るためにたいていは、互いに連続して配置された複数のモジ ュールが利用されている。 この種の巻回モジュール付き装置は適当な膜を利用して過蒸発技術にも採用さ れている。選択浸透膜の片側を混合液が流されることにより、その混合液は浸透 によって分離される。その場合液体の或る成分は優先的に膜を透過するほかない 。膜を透過した成分即ち透過物は蒸気の形で膜の反対側で排出される。これは巻 回モジュールの場合に透過物管の中で行われる。残留液即ち混合液の膜を透過し ない成分は滞留物となる。 透過する成分の輸送用推進力は膜の供給側と透過物側の分圧差である。この差 圧は種々の方法で得られる。現在商業的に採用されている装置の場合、膜の透過 物側に真空がかけられ、その真空は特に、透過物が凝縮する程にこれを強く冷却 することによって得られる。 しかし公知のすべての巻回モジュールは、その効率が非常に低く、複数の巻回 モジュールを直列に並べねばならず、これによって装置が大きくなるという欠点 を有している。 隔膜分離法が熱の導入によって改善できることは確かに知られている。過蒸発 過程も熱の導入によって補助的に改善される。これは蒸発によって透過物側に生 じた冷却が阻止されるからである。この効果は巻回モジュール付き装置の場合に 、供給溶液が圧力管の中に導入する前に加熱されることによって利用される。し かし複数の巻回モジュールが連続して配置されているとき、この熱の導入の作用 は、供給溶液が膜を通過する際ないし溢流する際に大きな温度勾配に曝されるの で、非常に制限される。 従って過蒸発に対しては巻回モジュールに代えて、有利には他のモジュール構 造様式の装置が利用される。これはサンドイッチ構造をしており、過蒸発室およ び加熱室から構成されている。その場合それぞれ二つの加熱室間に過蒸発室が配 置されている。そのような装置はヨーロッパ特許第Ａ０５７２３５５号明細書で 知られている。加熱室を利用することによって一様な温度分布が得られ、これに より効率が高められる。しかしこの装置はその層状構造によって、巻回モジュー ルを有する公知の装置に比べて単位容積当たりの膜表面積が小さく、従ってその 活動面積は小さくなっている。またこの装置は製造に非常に高い経費がかかると いう別の欠点がある。これは更に、膜自体の寿命が短く、交換しなければならな いという欠点を有している。あらゆる膜モジュールのうちで巻回モジュールが最 も簡単に交換できる。 巻回モジュールを利用する主な利点はこれがコスト的に有利であることにあり 、これによって過蒸発装置の製造費および運転費は減少される。従って、膜を貫 流する際に熱損失を補償する巻回モジュール付き装置も知られている。 即ちヨーロッパ特許第Ａ０６４１５９３号明細書に、複数の巻回モジュールが その中に直列に配置されている圧力管と外部の熱交換器とを有している過蒸発装 置が開示されている。最初の巻回モジュールから出た滞留物は圧力管から外部の 熱交換器に導かれ、そこで所望の運転温度に加熱される。この滞留物は続いて次 の巻回モジュールの供給溶液として圧力管の中に戻される。 更に日本特許アブストラクト、Ｖｏｌ．７、Ｎｏ．１９１に、複数の巻回モジ ュールの直列配置構造が開示されている。各巻回モジュールの滞留物はそれぞれ 巻回モジュール装置の外で、それが供給溶液として次の巻回モジュールに導かれ る前に加熱される。 米国特許第Ａ５２９４３４５号明細書に、圧力管とその中に配置された唯一の 巻回モジュールとを備え、その圧力管が加熱可能な二重壁のジャケットを有して いる過蒸発装置が記載されている。供給溶液が巻回モジュールに流入する前に所 望の温度に加熱されるようにするために、供給溶液が圧力管の壁に沿ってできる だけ長い距離にわたって流れるように、入口開口は流れ方向における巻回モジュ ールの後部位に配置されている。 本発明の目的は、上述の欠点を除去した流体の改良形分離装置を提供すること にある。 この目的は、請求の範囲第１項の特徴部分を備えた流体の分離装置によって達 成される。 本発明に基づく装置においてコスト的に有利な巻回モジュールが利用され、そ の場合、分離すべき流体は圧力管に従って最初のモジュールに流入する前だけで なく、他の各モジュールに流入する前にも加熱される。これによって装置の内部 は確実にほぼ一定温度に維持され、従って効率が高められる。この効率の増大に よって、流体の分離にとって必要な膜表面積は小さくされる。 加熱装置は連続して配置された二つの巻回モジュール間の少なくとも一つの範 囲を加熱し、これによって上流の巻回モジュールから出た滞留物が、それが供給 物として次の巻回モジュールを貫流する前に加熱される。滞留物ないし供給物は 上流の巻回モジュールから次の巻回モジュールに移行する際に圧力管内にとどま っている。上流の巻回モジュールから次の巻回モジュールへの移行範囲は、滞留 物ないし供給物が乱流を有するように形成されている。この乱流によって加熱装 置から滞留物ないし供給物への十分大きな熱伝達が保証される。有利にはこの移 行範囲に、乱流を発生する手段例えば定置形ミキサが存在している。他の実施態 様において、流速および管径に比例し且つ動粘性率に間接的に比例するレイノル ズ数が、流体が乱流を有するのに十分な大きさにされている。本発明に基づく流 体の分離装置はコンパクトに形成されている。更に少数の接続配管ないし滞留物 出口しか必要とされない。 図には本発明の実施例が示されている。以下この実施例について詳細に説明す る。 図１は連続して配置された従来における巻回モジュールを備えた装置の斜視図 、 図２は本発明に基づく装置の第１の実施例の概略断面図、および 図３は本発明に基づく装置の第２の実施例の概略断面図である。 本発明に基づく装置は原理的に、図１に一例が示されている熱交換器を備えて いない従来の巻回モジュール付き装置と同じ構造をしている。この実施例は過蒸 発のために採用される。しかし他の隔膜分離法に利用される装置も同じ原理的構 造をしており、ただ利用される膜の性質および輸送機構即ち過圧ないし負圧をか けることによって得られる膜を通る質量輸送に対する推進力だけが変わっている 。 ここに示されている装置は、特に金属、プラスチックあるいはガラスで作られ ている圧力管１を有している。圧力管１は全般的に一つの入口と少なくとも二つ の出口を有している。その入口は供給口２と呼び、分離すべき流体即ち供給溶液 を導入するために使用する。一方の出口は、巻回モジュールの膜を透過した流体 がそこから排出される透過物出口３である。他方の出口は膜を透過しなかった液 体を排出するための滞留物出口４である。 圧力管の内部に少なくとも二つの巻回モジュール５が流れ方向に連続して配置 されている。各巻回モジュールは、供給スペーサと一緒に多孔質の透過物集合管 ５１の周りに巻かれている一つあるいは複数の膜トラップ５０を有している。各 巻回モジュールの外側表面は、供給溶液が巻回モジュールを通らざるを得ないよ うにするために、パッキン４０によって圧力管１に対して密封されている。直列 接続された巻回モジュール５は図３に示されているように継手６によって互いに 結合できる。各継手６は、圧力管１の終端における透過物出口３まで通しの通路 が生ずるように、隣接する透過物集合管５１を結合する。供給入口２に隣接して 置かれた第１の巻回モジュールの透過物集合管はその供給口側が例えばエンドキ ャップ６０によって閉じられている。 他の実施例において本発明に基づいて、透過物集合管５１の反供給口側端に透 過物出口３が配置され、個々の管は互いに接続されていない。個々の管が圧力管 の内部で互いに接続されていないことは図２に概略的に示されている。透過物集 合管５１の供給口側端はエンドキャップ６０あるいは類似した手段によって閉じ られている。この実施例において圧力管は特に、フランジ１１によって互いに接 続されている複数の管部材１０から成っている。この実施例における利点は、個 々の透過物集合管の内部に良好な真空即ち低い絶対圧力が得られることにある。 これによって膜を通る物質輸送が改善される。 互いに接続された所定数の巻回モジュールごとに一つの透過物出口が配置され るように変形することもできる。いずれの実施例においても巻回モジュール５は 公知の手段によって圧力管１内に保持されている。そのほか圧力管１の中に、巻 回された膜の巻き解きを阻止するＡＴＤあるいはアンチ・テレスコーピング・デ バイス（Anti-Telescoping Devices＝巻き解き防止装置）とも呼ばれる拘束手段 が配置されている。この拘束手段は図示されていない。互いに接続された透過物 集合管を利用することあるいは複数の透過物出口を利用することには、使用され る加熱装置の様式は全く関係しない。 図２および図３に示されている本発明に基づく装置は、連続して配置されてい る巻回モジュール間の少なくとも一つの範囲を加熱する加熱装置７を有している 。図２に示されている実施例において、加熱装置は二つの巻回モジュール５間の 範囲に配置されている加熱要素７０を有している。加熱要素７０として圧力管１ の外周面に配置される電気抵抗形ヒータを利用できる。また加熱要素は圧力管上 に配置され加熱媒体で貫流される付属物であってもよい。その加熱要素は加熱媒 体を供給ないし排出するための入口７１および出口７２を有している。更に圧力 管はこの範囲に加熱媒体で貫流される中間室を形成する二重壁構造のジャケット を持つことができる。 図３に示されている実施例において、圧力管１のジャケット７３は全長にわた って、加熱媒体例えば水、水蒸気あるいは高温油で貫流される一つあるいは複数 の中間室が生ずるように二重壁構造に形成されている。圧力管１の供給口側端に 加熱媒体の出口７２が、滞留物側端に加熱媒体の入口７１が配置されている。二 重壁構造のジャケットの内部室の中に、加熱媒体の流れを改善するたの案内板を 配置することができる。この実施例の利点は、これが簡単に製造でき、利用され る巻回モジュールの数と無関係であり、加熱媒体に対して二つの接続口しか必要 とされないことにある。 ここでは図示されていない他の実施例において加熱装置は、個々の巻回モジュ ール間に熱交換器の形で配置され、供給溶液として再利用される滞留物で貫流さ れる個々の加熱要素から成っている。好適にはこれは管束形熱交換器である。こ の実施例の利点は、上流の巻回モジュールから出た後の滞留物が大きな熱交換面 積を介して加熱要素に接触し、従って滞留物がその良好な熱伝達によって供給溶 液として次の巻回モジュールを貫流する前に良好に加熱されることにある。 最後に述べた二つの実施例において、上流の巻回モジュールから次の巻回モジ ュールへの移行部が、供給溶液の温度がその中の透過性成分の濃度に応じて制御 できるように、個々に加熱できるという別の利点がある。 供給溶液が次の巻回モジュールに流入する前に最適な温度になるようにすべく 加熱装置から供給溶液への熱伝達を高めるために、二つの巻回モジュール間の範 囲に乱流を発生する手段が存在している。そのために例えば種々の幾何学形状を した定置形ミキサ（混合機）が使用される。このミキサはその幾何学形状に関係 して流体例えば滞留物の縦流れと横流れとを重畳する。他の実施例において乱流 を発生する手段は、二つの透過物集合管を接続する継手に配置されている一つあ るいは複数のスパイラルである。更に他の実施例において二つの巻回モジュール 間における拘束手段即ちＡＴＤが、貫流される供給溶液に渦流が発生されるよう に形成されている。二つの拘束手段を連続して配置し、それらの貫流開口を互い にひねって形成することもできる。 或る供給溶液および所定の管径に対しては、渦流を発生するための特別な機械 的手段は全く必要とされない。これは全般的にレイノルズ数Ｒｅ＝２３００以上 において管流が乱れて流れるときに当てはまる。例えば純粋なエタノールにおい て流量５００ｋｇ／ｈ、温度１００℃および巻回モジュール直径４″（＝１０． １６.１０^-2ｍ）の場合にレイノルズ数は５４００となり、どんな場合でも乱流 が存在する。 例： 膜活動面積５ｍ²の二つの巻回モジュールを備えた装置を利用した。１０重量 ％水と９０重量％エタノールの供給溶液を５００ｋｇ／ｈの流量で流した。入口 温度は１００℃、浸透圧は１０ｍｂａｒとした。 以下の仮定が正に的中した。 １．純粋な水だけしか透過しない。 ２．観察範囲において、膜内外流れは（供給側における温度が一定し、浸透側の 圧力が一定している場合に）供給溶液における透過すべき成分のモル分量に比例 すると仮定される。 ３．膜浸透度はアレニウスの式に応じて振る舞う。 二つの巻回モジュール間でいまや既に僅かな水分を含む供給溶液は再び１００ ℃に加熱された。巻回モジュール間で熱を供給しない同一の装置と比較した結果 、膜の浸透効率が３３％まで増大されることが確認された。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年４月２９日 【補正内容】 請求の範囲 １． 少なくとも二つの巻回モジュール（５）を収容する圧力管を有している 流体の分離装置であって、少なくとも二つの巻回モジュール（５）が流れ方向に 連続して配置され、圧力管（１）が一つの供給口（２）、少なくとも一つの透過 物出口（３）および一つの滞留物出口（４）を有し、この装置が供給溶液をそれ が上流の巻回モジュールから次の巻回モジュールに移行する際に加熱するための 加熱装置（７）を有している流体の分離装置において、 加熱装置が、上流の巻回モジュールから次の巻回モジュールに移行する際に圧 力管内にとどまっている加熱すべき供給溶液によって貫流される連続して配置さ れた少なくとも二つの巻回モジュール（５）間における圧力管（１）の少なくと も一つの移行範囲を加熱し、この移行範囲が、加熱すべき供給溶液が乱流を有す るように形成されていることを特徴とする流体の分離装置。 ２． 加熱装置（７）がそれを貫流する加熱媒体によって加熱されることを特 徴とする請求の範囲第１項記載の装置。 ３． 圧力管（１）が、加熱媒体を収容する中間室を形成している二重壁構造 のジャケットを有していることを特徴とする請求の範囲第２項記載の装置。 ４． 加熱装置（７）が、それぞれ二つの巻回モジュール間の範囲に配置され ている加熱要素（７０）を有していることを特徴とする請求の範囲第１項又は第 ２項に記載の装置。 ５． 巻回モジュール（５）間の範囲に乱流を発生するための手段が存在して いることを特徴とする請求の範囲第４項記載の装置。 ６． 収容すべき各巻回モジュール（５）に透過物出口（３）が存在している ことを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。 ７． 各加熱要素が、圧力管の内部に配置され巻回モジュールを収容した際に その巻回モジュール間に位置する熱交換器から成っていることを特徴とする請求 の範囲第２項又は第４項に記載の装置。 ８． 巻回モジュールがその中に収容されている装置を流体を過蒸発するため に利用することを特徴とする利用方法。 ９． 巻回モジュールがその中に収容されている装置をガスを浸透するために 利用することを特徴とする利用方法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 少なくとも二つの巻回モジュール（５）を収容する圧力管を有している 流体の分離装置であって、少なくとも二つの巻回モジュール（５）が流れ方向に 連続して配置され、圧力管（１）が一つの供給口（２）、少なくとも一つの透過 物出口（３）および一つの滞留物出口（４）を有し、この装置が供給溶液をそれ が上流の巻回モジュールから次の巻回モジュールに移行する際に加熱するための 加熱装置（７）を有している流体の分離装置において、 加熱装置が連続して配置された少なくとも二つの巻回モジュール（５）間に少 なくとも一つの移行範囲を有し、加熱すべき供給溶液が上流の巻回モジュールか ら次の巻回モジュールに移行する際に圧力管（１）内にとどまり、この移行範囲 が加熱すべき供給溶液が乱流を有するように形成されていることを特徴とする流 体の分離装置。 ２． 加熱装置（７）がそれを貫流する加熱媒体によって加熱されることを特 徴とする請求の範囲第１項記載の装置。 ３． 圧力管（１）が、加熱媒体を収容する中間室を形成している二重壁構造 のジャケットを有していることを特徴とする請求の範囲第２項記載の装置。 ４． 加熱装置（７）が、それぞれ二つの巻回モジュール間の範囲に配置され ている加熱要素（７０）を有していることを特徴とする請求の範囲第１項又は第 ２項に記載の装置。 ５． 巻回モジュール（５）間の範囲に乱流を発生するための手段が存在して いることを特徴とする請求の範囲第４項記載の装置。 ６． 収容すべき各巻回モジュール（５）に透過物出口（３）が存在している ことを特徴とする請求の範囲第１項記載の装置。 ７． 各加熱要素が、圧力管の内部に配置され巻回モジュールを収容した際に その巻回モジュール間に位置する熱交換器から成っていることを特徴とする請求 の範囲第２項又は第４項に記載の装置。 ８． 巻回モジュールがその中に収容されている装置を流体を過蒸発するため に利用することを特徴とする利用方法。 ９． 巻回モジュールがその中に収容されている装置をガスを浸透するために 利用することを特徴とする利用方法。